本文較詳細(xì)地闡述了量子力學(xué)的哥本哈根解釋,包括玻爾并協(xié)性原理和海森堡不確定原理、經(jīng)典儀器、波函數(shù)坍縮、哥本哈根解釋視角中的因果律。本文還列舉了基于該解釋的兩個典型的測量實(shí)例:惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)和沒有相互作用的相互作用;簡要介紹了其他有影響力的量子力學(xué)解釋:多世界解釋、自洽歷史理論、量子貝葉斯模型等。 

【文章來源】：物理與工程. 2020,30(06)

【文章頁數(shù)】：10 頁

【部分圖文】：

連續(xù)和不連續(xù)視角下質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動

第一個典型的例子是1978年惠勒提出的延遲選擇實(shí)驗(yàn)[8],其實(shí)驗(yàn)示意圖如圖2所示,激光脈沖源發(fā)射的光子經(jīng)過分光鏡BS1(光子有一半的概率穿過反射鏡到達(dá)M2,一半概率被反射鏡反射到達(dá)M1),兩個全反射鏡M1和M2把兩個路徑的光子匯集起來,從探測器D1和D2的嘀嗒聲可以判斷光子的路徑是BS1-M1或者BS1-M2。令人吃驚的現(xiàn)象出現(xiàn)了,在光子的交匯處再放置和BS1一樣的分光鏡BS2,調(diào)整BS1-M1-BS2和BS1-M2-BS2的相位,可使得兩個路徑的光子在BS2處發(fā)生反相干涉,〈a?outaout〉=sin2(φ/2),〈b?outbout〉=cos2(φ/2)。反相干涉的產(chǎn)生必定是一個光子同時從BS1-M1-BS2和BS1-M2-BS2兩個路徑到達(dá)BS2處相干疊加形成,因?yàn)楣庾訂为?dú)走BS1-M1-BS2或BS1-M2-BS2路徑都不會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象;如果不放置分光鏡BS2,則一個光子通過分光鏡BS1后要么沿BS1-M1-BS2路徑要么沿BS1-M2-BS2路徑到達(dá)BS2處沒有干涉現(xiàn)象〈a?outaout〉=〈b?outbout〉=1/2。放置BS2時光子表現(xiàn)出波動性的,同時走BS1-M1-BS2和BS1-M2-BS2兩個路徑形成干涉圖樣,不放置BS2光子表現(xiàn)出粒子性,或者走BS1-M1-BS2路徑,或者走BS1-M2-BS2路徑,干涉圖樣消失,這正是哥本哈根解釋的精髓,人們的觀測活動改變了量子系統(tǒng)的狀態(tài),即光子行走的路徑。更令人吃驚的是如果在光子通過BS1快到達(dá)而還沒有到達(dá)交匯點(diǎn)時,人們把BS2放置在交匯點(diǎn),會出現(xiàn)什么現(xiàn)象呢?按通常的觀念,光子通過BS1后光子的路徑已經(jīng)確定了即要么沿BS1-M1-BS2路徑要么沿BS1-M2-BS2路徑到達(dá)交匯處,但無論光子沿哪條路徑,探測器D1、D2都不會觀測到干涉條紋,但2007年法國一個研究小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明[9],探測器D1、D2依然觀測到干涉條紋。結(jié)果意味著雖然光子已經(jīng)經(jīng)過BS1,但它的飛行路徑依然隨著人們的觀測活動而改變,這個現(xiàn)象就是惠勒延遲選擇實(shí)驗(yàn)。通俗一點(diǎn)來說,人們現(xiàn)在的觀測活動改變了光子過去的飛行路徑,人們可以在事情發(fā)生之后再來決定它之前是如何發(fā)生的,經(jīng)典物理學(xué)的因果律遭到了徹底的顛覆。第二個例子是沒有相互作用的相互作用(interaction without interaction)。我們在研究利用離子束探測簡諧振動時,提出了一個新的沒有相互作用的相互作用量子測量效應(yīng)。如圖3所示, 當(dāng)一束離子束受交變電場的作用在垂直與束流方向做簡諧振動時(圖中圈叉表示),離子探測器在小于振動周期T的Δt時間內(nèi)的計(jì)數(shù)存在一個由簡諧振動引起的修正因子Δt/T,即N′=N·Δt/T,式中的T是簡諧振動的周期,N表示沒有橫向簡諧振動時Δt時間內(nèi)離子的數(shù)目[10]。事實(shí)上離子束的橫向簡諧振動和縱向飛行的平移運(yùn)動相互垂直,沒有相互作用,但當(dāng)測量與縱向平移運(yùn)動有關(guān)的物理量-離子數(shù)目時,橫向簡諧振動也會對離子數(shù)目的測量結(jié)果產(chǎn)生影響,多出一個振動因子,因此起名為沒有相互作用的相互作用量子測量效應(yīng)。簡言之,兩個運(yùn)動本來沒有相互作用, 一旦進(jìn)行測量它們就產(chǎn)生相互作用,故沒有相互作用的相互作用是對這個理論預(yù)言形象而準(zhǔn)確的描述。該測量效應(yīng)本質(zhì)很簡單,因?yàn)殡x子束橫向振動和縱向平動沒有相互作用,故哈密頓量可寫為H=HA+HB,體系的量子態(tài)為ρ=ρA?ρB,式中A代表離子的縱向平動,B代表離子束的橫向簡諧振動。探測器測量到的縱向的離子數(shù)目為〈N〉=TrA(ρAN)·TrB(ρB),通常TrB(ρB)=1,故沒有相互作用的兩種運(yùn)動對各自對應(yīng)的物理量的測量沒有影響。然而如果探測時間Δt小于振動周期T,那么就有TrB,Δt(ρB)=Δt/T<1,于是出現(xiàn)了我們得到的結(jié)果,即探測器記錄的原子的數(shù)目小于實(shí)際入射的原子數(shù)目。原本沒有相互作用的兩種運(yùn)動也會對另一種運(yùn)動所對應(yīng)的物理量的測量產(chǎn)生了影響,它的本質(zhì)當(dāng)然是一種量子測量效應(yīng)。該量子測量效應(yīng)不但給出令人吃驚的結(jié)果,而且也可視為宏觀量子效應(yīng),因?yàn)榻?jīng)典簡諧振動和離子數(shù)目被離子探測器的記錄都是宏觀事件。簡諧振動對離子束計(jì)數(shù)的修正因子與簡諧振動的振幅和相位無關(guān)表明無論多么小振幅的簡諧振動都能被檢測到,這個量子測量效應(yīng)有可能為引力波探測提供新的方法。

第二個例子是沒有相互作用的相互作用(interaction without interaction)。我們在研究利用離子束探測簡諧振動時,提出了一個新的沒有相互作用的相互作用量子測量效應(yīng)。如圖3所示, 當(dāng)一束離子束受交變電場的作用在垂直與束流方向做簡諧振動時(圖中圈叉表示),離子探測器在小于振動周期T的Δt時間內(nèi)的計(jì)數(shù)存在一個由簡諧振動引起的修正因子Δt/T,即N′=N·Δt/T,式中的T是簡諧振動的周期,N表示沒有橫向簡諧振動時Δt時間內(nèi)離子的數(shù)目[10]。事實(shí)上離子束的橫向簡諧振動和縱向飛行的平移運(yùn)動相互垂直,沒有相互作用,但當(dāng)測量與縱向平移運(yùn)動有關(guān)的物理量-離子數(shù)目時,橫向簡諧振動也會對離子數(shù)目的測量結(jié)果產(chǎn)生影響,多出一個振動因子,因此起名為沒有相互作用的相互作用量子測量效應(yīng)。簡言之,兩個運(yùn)動本來沒有相互作用, 一旦進(jìn)行測量它們就產(chǎn)生相互作用,故沒有相互作用的相互作用是對這個理論預(yù)言形象而準(zhǔn)確的描述。該測量效應(yīng)本質(zhì)很簡單,因?yàn)殡x子束橫向振動和縱向平動沒有相互作用,故哈密頓量可寫為H=HA+HB,體系的量子態(tài)為ρ=ρA?ρB,式中A代表離子的縱向平動,B代表離子束的橫向簡諧振動。探測器測量到的縱向的離子數(shù)目為〈N〉=TrA(ρAN)·TrB(ρB),通常TrB(ρB)=1,故沒有相互作用的兩種運(yùn)動對各自對應(yīng)的物理量的測量沒有影響。然而如果探測時間Δt小于振動周期T,那么就有TrB,Δt(ρB)=Δt/T<1,于是出現(xiàn)了我們得到的結(jié)果,即探測器記錄的原子的數(shù)目小于實(shí)際入射的原子數(shù)目。原本沒有相互作用的兩種運(yùn)動也會對另一種運(yùn)動所對應(yīng)的物理量的測量產(chǎn)生了影響,它的本質(zhì)當(dāng)然是一種量子測量效應(yīng)。該量子測量效應(yīng)不但給出令人吃驚的結(jié)果,而且也可視為宏觀量子效應(yīng),因?yàn)榻?jīng)典簡諧振動和離子數(shù)目被離子探測器的記錄都是宏觀事件。簡諧振動對離子束計(jì)數(shù)的修正因子與簡諧振動的振幅和相位無關(guān)表明無論多么小振幅的簡諧振動都能被檢測到,這個量子測量效應(yīng)有可能為引力波探測提供新的方法。新的沒有相互作用的相互作用量子測量效應(yīng)可以用哥本哈根解釋給出滿意的說明[11]。在小于一個周期時間內(nèi)測量離子數(shù)目小于入射的離子數(shù)目,離子跑哪去了呢?實(shí)際測量離子數(shù)目時,要求探測器和離子束同頻共振。在入射方向垂直的橫向上離子束和探測器是相對靜止的,被探測器記錄的離子數(shù)目(假設(shè)探測器的探測效率為1)應(yīng)該等于入射的離子數(shù)目,既然如此為什么還會出現(xiàn)一個所謂的振動因子Δt/T呢?誰不被量子力學(xué)迷惑過,誰就沒有理解它。其實(shí)所有的秘密都藏在離子探測器里面,按量子力學(xué)的哥本哈根解釋,量子測量過程中被測對象必然和經(jīng)典實(shí)驗(yàn)儀器相互作用,對象的測量過程必然存在一定程度上的不可控制的干擾,此時被測對象和經(jīng)典儀器都不在擁有經(jīng)典物理世界的那種獨(dú)立實(shí)在性,被測對象和經(jīng)典實(shí)驗(yàn)儀器之間也不再有明確的分界。在離子束探測的問題上,離子探測器和離子束同頻共振,它們具有完全相同的相位,振幅和頻率。橫坐標(biāo)x代表離子束和探測區(qū)域振動的位移,縱坐標(biāo)是簡諧振動的概率密度,即波函數(shù)的模平方,如圖4所示。探測器便具有了雙重功能:①記錄到達(dá)探測器的離子的數(shù)目;②抽取離子束橫向簡諧振動的信息,包括相位,振幅和頻率。搞清楚了探測器的作用,以上兩個問題迎刃而解。離子束的離子跑哪去了呢?因?yàn)樘綔y器和離子束同頻共振,在橫向的探測器相對于離子束是靜止的,所有的離子都跑到探測器了。既然如此,所謂的振動因子從何而來呢?如上圖所示,在小于周期的時間間隔Δt內(nèi),探測器從x振動到x+dx,而探測器在x到x+dx范圍內(nèi)的概率恰好為Δt/T。這樣探測器測量的離子數(shù)目就等于入射的離子數(shù)目N乘以探測器本身在x到x+dx范圍內(nèi)的概率Δt/T,與理論計(jì)算的結(jié)果完全一致,正是探測器從離子束抽取的簡諧振動的信息產(chǎn)生了奇特的振動因子。


本文編號：3045929